УДК 621.391.63:681.7.068

 

Сети с WDM уплотнением на базе разветвителя оптического 1550/1310nm (1310nm и 1550 nm)

 

Алибаев Ж.С.

 

Таразский Государственный Университет им. М.Х.Дулати, г. Тараз, Казахстан

 

Технология спектрального мультиплексирования (WDM) - это способ транспортировки по одному физическому оптоволокну нескольких каналов передачи данных, путем разнесения длин волн (цветов), основанный на способности оптического волокна одновременно передавать свет различных длин волн  (цветов) без взаимной интерференции. Каждая длина волны представляет отдельный оптический канал. При помощи мультиплексирования в едином световом потоке,  пересылаемом по оптическому волокну, можно объединить от четырех до 80 и более информационных каналов с разной длиной волны. Данная технология предназначена для передачи данных, поступающих в единую транспортную магистраль от различных источников на разной скорости и с использованием разных протоколов (Fibre Channel, Ethernet или ATM).

В настоящее время получили распространение следующие технологии спектрального мультиплексирования:

- 2-канальный WDM;

- грубое спектральное мультиплексирование (CWDM);

- плотное спектральное уплотнение (DWDM);

- сверхплотное спектральное уплотнение (HDWDM).

 

Рисунок 1 – Спектральное уплотнение

 

На рисунке 1 схематически изображена зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне в диапазоне, соответствующем его «окну прозрачности», от длины волны передаваемого оптического сигнала. Там же для наглядности обозначены названия диапазонов согласно рекомендации международного телекоммуникационного союза (ITU) ITU-T G.692, а также длины волн, применяемые в CWDM. Ниже приведены расшифровки названий оптических диапазонов:

- O – первичный диапазон (Original, 1260-1360 нм);

- E – расширенный диапазон (Extended, 1360-1460 нм);

- S – коротковолновый диапазон (short wavelength, 1460-1530 нм);

- C – стандартный диапазон (Conventional, 1530-1570);

- L – длинноволновый диапазон (Long wavelength, 1570-1625 нм).

Двухканальный WDM (иногда двунаправленный, bi-di WDM) является в настоящее время наиболее распространенным решением из мира технологий WDM. При его использовании в одном волокне комбинируются длины волн 1310 нм и 1550 нм, позволяя при относительно скромных затратах получить удвоение емкости оптической инфраструктуры. Принцип работы двухканального WDM можно понять из рисунка 2.

 

 

Рисунок 2 – Принцип двунаправленной связи

 

Грубое спектральное мультиплексирование – CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – является технологией спектрального уплотнения, базирующейся на использовании оптических каналов, лежащих в диапазоне от 1270 до 1610 нм и отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм, как специфицировано рекомендацией ITU с идентификатором ITU-T G-694.2.

Поначалу использовался только диапазон волн 1470 – 1610 нм (8 длин волн), а область 1260 – 1360 не использовалась из-за увеличения затухания на длинах менее 1310 нм (увеличивается коэффициент рассеяния Рэлея).

Для компенсации эффекта поглощения на длине волны 1383 нм стали применять специальные волокна с нулевым «водяным пиком» (ZWPF, LWPF). Если система использует весь диапазон волн 1270 – 1610 нм, то ее называют FS-CWDM-системой (Full-spectrum CWDM). Плотное спектральное мультиплексирование – DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – технология для объединения еще гораздо большего числа длин волн, нежели это предусмотрено предыдущей технологией. Большинство ведущих производителей предлагают DWDM-оборудование, позволяющее мультиплексировать в С-диапазоне (1530-1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц. В этой же полосе работают легированные эрбием усилители оптического сигнала (EDFA). Сверхплотное спектральное  уплотнение –HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing) – перспективная технология спектрального уплотнения, позволяющая поднять количество уплотняемых каналов еще в 2-4 раза, по отношению к DWDM. В настоящий момент еще не получила распространения. В таблице 1 показаны сводные данные по технологиям спектрального уплотнения

Таблица 1 – Краткая сводка по технологиям WDM

 

 

CWDM                 (грубое СУ)

DWDM

(плотное СУ)

HDWDM

(сверхплотное СУ)

Шаг каналов

20 нм

1,6 нм

200, 100, 50 ГГц

0,4 нм

25, 12,5 ГГц

Используемые диапазоны

O, E, S, C, L

S, C, L

C, L

Число каналов

до 18

десятки/сотни

десятки

Относительная                                                                  

стоимость

низкая

высокая

высокая

 

До середины 90х годов XX века для мультиплексирования использовалась дискретная оптика (призмы), с их помощью не удавалось добиться шага каналов менее 20 нм, и потерь менее 2-4 дБ. Однако это уже позволяло использовать порядка четырех каналов в окне прозрачности оптических волокон того времени. Позже произошел переход к интегральным оптическим технологиям и, кроме того, удалось существенно улучшить качество изготовления элементов традиционной дискретной оптики, что обеспечило значительное распространение технологий спектрального уплотнения вплоть до настоящего времени.

В общем случае схема применения технологий WDM может быть представлена так, как указано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принцип WDM технологии

 

Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал.

Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM -16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692.  При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU.

Оптический (де)мультиплексор CWDM. Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ  на канал (в реальных системах величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости.

Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один  канал.

Использование таких устройств в системах с большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа.

Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Существенно снизить стоимость кабельной инфраструктуры сети доступа позволяет использование архитектуры пассивных оптических сетей (PON). Оптические разветвители являются важным компонентом PON и выполняют пространственное разделение оптического сигнала по нескольким каналам или объединяют сигналы из различных каналов в один. Поэтому снижение стоимости и улучшение технических характеристик оптических разветвителей становится все более актуальной задачей.

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Технология изготовления

Существует две технологии изготовления оптических разветвителей: сварные — Fused и планарные — PLC (Planar Lightwave Circuit).

 

Рисунок 4 – Основные технологии изготовления сплиттеров

 

Сварные разветвители выполнены по технологии FBT (Fused Biconical Taper): два волокна с удаленными внешними оболочками сплавляют в элемент с двумя входами и двумя выходами  (2:2), после чего один вход закрывают безотражательным методом, формируя разветвители 1:2. Можно обеспечить разделение мощности и в других пропорциях, например 20:80 (20% мощности сигнала идет в одно  плечо, 80% — в другое). Сварные разветвители обычно имеют от одного до трех окон прозрачности (1310 нм, 1490 нм или 1550 нм). Окно прозрачности – это диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в волокне. Такие разветвители чаще всего используются для построения сетей кабельного телевидения.

Планарные разветвители (PLC, Planar Lightwave Circuit) изготавливаются в несколько этапов. Первый из них заключается в нанесении на подложку отражающего слоя-оболочки. На данный слой наносится материал волновода, на котором в последствии формируется маска для травления. Результатом процесса травления является система волноводов, являющаяся, по сути, оптическим делителем. Система планарных волноводов покрывается вторым отражающим слоем-оболочкой. Необходимое количество разветвлений PLC-сплиттера достигается сочетанием делителей 1Ч2.

Планарная технология позволяет изготавливать компактные и надежные разветвители с числом выходных волокон до 64. Планарные разветвители обладают  более стабильными и точными характеристиками на выходах, работают в широкополосном диапазоне волн 1260 — 1650 нм., имеют меньшее затухание на порт, меньше подвержены механическим воздействиям и способны работать в более широком диапазоне температур (от −45°Cдо +85°C), чем сплавные (от −40°C до +75°C). Планарные разветвители используют для спектрального уплотнения каналов. Также их использование предпочтительно при построении пассивных оптических сетей, так как кроме выше перечисленных преимуществ, они позволяют заложить на будущее возможность использовать дополнительные сервисы либо увеличить пропускную способность каналов путем уплотнения.

 

 

Список литературы:

1. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. М.: Радио и связь, 2000.

2. А. И. Дегтярев, А. В. Тезин. Волоконно-оптические системы передачи. Орел: АФАПСИ, 2000.

3. А. Л. Дмитриев. Оптические системы передачи информации. СПб: СПбГУИТМО, 2007.

4. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник вузов / М.М. Бутусов, С.М. Верник, С.Л. Галкин и др. – М.: Радио и связь, 2002.

5. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – 2е изд., перераб и доп. – М.: Радио и связь, 2009.

6. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2008.

7. Бакланов И.Г. Технологии измерений первичной сети. Часть I. Системы Е1, PDH, SDH. Часть 2. Системы синхронизации, B-ISDN, АТМ. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

8. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: SYRUS SYSTEMS, 2009.

9. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи: Учебник для вузов / В.А. Андреев, В.А. Бурдин, Б.В. Попов, А.И. Польников. – М.: Радио и связь, 2005.

10. Гауэр Дж. Оптические системы передачи. Пер с англ. – М.: Радио и связь, 2009.